Grafeenanalogen zoals grafeenoxide (GO) en zijn gereduceerde vormen (rGO) zijn fascinerende koolstofmaterialen vanwege de complementaire eigenschappen die worden verschaft door de sp3-sp2-interconversie, het onthullen van de substitueerbaarheid en het potentieel voor industrialisatie van geïntegreerde grafeen-apparaten. Geschikt micro/nanostructureel ontwerp van GO en rGO voor het beheersen van de energiebandkloof en chemische oppervlakteactiviteit is belangrijk voor het ontwikkelen van strategische toepassingen. De femtoseconde laser plasmonische lithografie (FPL) technologie is een gekwalificeerde kandidaat voor het genereren van de vereiste structuren vanwege zijn efficiëntie, hoge kwaliteit, flexibiliteit en beheersbaarheid. Echter, aangezien zowel de theoretische als de experimentele verkenningen van deze methode nog in de kinderschoenen staan, micro / nanoverwerking van grafeenmaterialen met behulp van FPL is niet gerealiseerd. De haalbaarheid van het implementeren van de techniek in praktische toepassingen is nog steeds twijfelachtig omdat de meeste verwante onderzoeken alleen de kenmerken van de structuur benadrukken die door de verwerking is verkregen, maar vaak de complementaire veranderingen in de eigenschappen van het materiaal zelf negeren.

In een nieuw artikel gepubliceerd in Lichtwetenschap en toepassing , wetenschappers van het State Key Laboratory of Applied Optics, Changchun Instituut voor Optica, Fijne mechanica en natuurkunde, Chinese Wetenschapsacademie, China, en collega's presenteerden een kwalitatief hoogstaand, efficiënte en grootschalige periodieke micro / nanoripple-productie (~ 680 nm-periode) en fotoreductie van GO-films (~ 140 nm-dikte) op een siliciumsubstraat met behulp van de FPL-methode. interessant, in tegenstelling tot de meeste gerapporteerde laser-geïnduceerde periodieke oppervlaktestructuren (LIPSS) waarin de patroonuitlijning loodrecht staat op de polarisatie van het invallende licht, ze blijken in dit geval de buitengewone uniforme verdeling te hebben met een oriëntatie evenwijdig aan elkaar. Een dergelijk fenomeen kan niet worden verklaard door de conventionele theorie van LIPSS, d.w.z., de interferentie tussen het invallende licht met de TM-modus en de aangeslagen oppervlakteplasmon (SP) golf. De analyse toonde aan dat de laser-geïnduceerde gradiëntreductie van GO-film van het oppervlak naar het interieur een sleutelrol speelt, en het leidt tot een inhomogene plaat met de maximale diëlektrische permittiviteit (DP) aan het oppervlak en een kleinere DP aan de binnenkant die excitatie van TE-mode oppervlakteplasmonen (TE-SP's) en de daaropvolgende ongewone interferentie mogelijk maakt. Vanwege de diverse fysieke mechanismen die betrokken zijn bij de laser-rGO-interactie, de LIPSS-formatie vertoonde ook unieke kenmerken, zoals een sterke robuustheid tegen een reeks verstoringen. Omdat de microprocessing geen hulphandelingen bevat, zoals chemisch etsen, de eigenschappen van het grafeenmateriaal blijven behouden, waardoor ze voor opto-elektronische toepassingen. Eigenlijk, door modulatie van de fotoreductiegraad en het structurele ontwerp van het rGO-oppervlak, ze realiseerden de verbeterde lichtabsorptie (~ 20%), thermische straling (> 10°C) en anisotrope geleidbaarheid (anisotropieverhouding ~ 0,46) van dit filmmateriaal. Op basis daarvan, ze ontwierpen een on-chip, breedband fotodetector met stabiele fotoresponsiviteit (R ~ 0,7 mA W-1) zelfs bij blootstelling aan licht met een laag vermogen (0,1 mW). De auteurs van het artikel vatten de betekenis van dit werk als volgt samen:

"(1) De FPL-technologie wordt voor het eerst gebruikt om de bereiding van hoogwaardige, efficiënte en grootschalige periodieke micro/nanostructuren op het oppervlak van grafeenmaterialen; (2) De fysieke mechanismen van de interactie tussen laser en materiaal die betrokken zijn bij FPL-technologie zijn verder verbeterd; (3) Zowel de structurele kenmerken als de eigenschappen van het verwerkte materiaal zelf worden in aanmerking genomen bij de toepassing van foto-elektrische apparaten."

"Vergeleken met laser direct schrijven met dezelfde invallende laserparameters, onze FPL-strategie kost slechts ~1/14000 van de tijd om een ​​monster ter grootte van een centimeter (1×1,2 cm2) te verwerken. Tegelijkertijd, vanwege de mogelijke niet-lineaire optische eigenschap, de FPL-strategie veroorzaakt een duidelijk 'zelfherstellend' fenomeen, die de verwerkingskwaliteit effectief kan waarborgen. Bijvoorbeeld, we kunnen rGO-LIPSS-films op verschillende substraten maken en ze niet-destructief overbrengen op andere substraten."

"Onze verklaring van de experimentele verschijnselen wijkt aanzienlijk af van de meeste principes op dit moment. Dit zal ons een beter begrip geven van de relevante fysieke processen en een solide basis leggen voor de verdere ontwikkeling van FPL-technologieën."

"De gestructureerde grafeenmaterialen door FPL-technologie bieden uitstekende foto-elektrische prestaties. De fotoresponsiviteit is numeriek vergelijkbaar met de respons van de monsters verkregen door andere reductiemethoden (bijv. chemisch en thermisch) en is veel groter dan die van typische fotogereduceerde. De anisotropieverhouding is zelfs groter dan die van sommige natuurlijke anisotrope kristallen. Ons werk combineert de experimentele verkenning met het diepgaande begrip van high-speed micro/nanopatterning van de reguliere rGO-LIPSS, wat niet alleen de fundamentele fysica ten goede komt, maar ook de praktische ontwikkeling van grafeenanalogen op industriële schaal vergemakkelijkt. "